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Storia di Eli parte III: test batterie ed autopsia cella dopo 50000 km

In questo articolo riporto alcuni test effettuati, in seguito alla sostituzione di una cella, sulle celle LiFeYPO4 da 60Ah utilizzate sulla mia FIAT Seicento Elettra.

Evidentemente il recente articolo entusiastico sui primi 50000km percorsi non ha portato fortuna!


Le celle erano state acquistate e testate nel Maggio 2013, gli interessati possono rivedere i risultati dei test e la strumentazione usata qui:

test LiFeYPO4 nuove

In questo articolo troverete i risultati di una prova comparativa tra la nuova cella e 3 celle aventi sulle spalle 4 anni di vita e 50000 km percorsi.

Alla fine dell'articolo sono riportati per comodità i link ai miei articoli riguardanti batterie e/o veicoli elettrici.

Indice

Descrizione delle batterie e stima dei cicli di carica/scarica

Le batterie utilizzate sono celle Winston LiFeYPO4 da 3,2V nominali e 60Ah nominali di capacità (il test effettuato nel 2013 aveva evidenziato capacità reali maggiori del 10-15% rispetto alle nominali). Il costruttore garantisce una capacità effettiva pari all'80% della nominale dopo 3000 cicli di carica/scarica all'80% o 5000 cicli al 70% di DOD, con intensità di scarica pari a 0,5C..


L'auto monta 72 celle, per un totale di 230,4V nominali e 13,824 kWh di energia immagazzinata.

L'intensità di scarica è difficilmente valutabile trattandosi di uso su veicolo. Le batterie sono soggette a brevi picchi di scarica veloce corrispondente ai 30kW di picco erogabili dal motore; trascurando il rendimento dell'inverter questi picchi corrispondono a circa 130-150A di scarica (pari a 2,15-2,5C). L'auto è però usata in modalità "drive" con potenza limitata (tranne gli spunti) a 15kW (65-75A, pari a 1-1,25C). Inoltre l'auto è anche dotata di frenata rigenerativa, quindi le batterie sono sottoposte a brevi e ripetute ricariche parziali.

Se si ipotizza nell'uso reale una velocità media di 20-30 km/h (corrispondente ad un assorbimento da batteria medio di soli 2,8-4,2kW, cioè circa 12-15A) e le soste l'intensità di scarica media si abbassa ulteriormente, al di sotto degli 0,5C indicati dal costruttore.

Il consumo medio in questi 4 anni è stato pari a 173 wh/km da rete. Considerato che il rendimento del caricabatterie risulta pari all'80% o meno, il consumo da pacco batteria è pari o inferiore a 140Wh/km.

I 51344km percorsi equivalgono quindi a 7200 kWh (o meno) estratti dalle batterie, quindi 651 cicli di scarica con DOD all'80% o 744 cicli al 70%.

L'auto però viene ricaricata quasi quotidianamente, quindi mediamente ogni 40km percorsi o meno; questo corrisponde a 6,92kWh consumati da batteria (DOD del 50% CIRCA).

Considerando cautelativamente il dato al 70% le batterie hanno "percorso" solo il 15% dei cicli di scarica garantiti; potrebbero quindi arrivare a percorrere ben 340000km totali.

Valore troppo ottimistico probabilmente, anche a giudicare dal degrado di quelle vecchie analizzato nei prossimi paragrafi: a parte eventuali errori nella gestione c'è anche ovviamente un invecchiamento "on the shelf".

PRIMA CARICA NUOVA CELLA

La cella sostitutiva è stata acquistata in ottobre 2017 ed è risultata esternamente identica alle altre.

La cella presentava alla consegna una tensione a vuoto di 3,33V circa; ho effettuato una ricarica lenta (@2A) per avere un grafico preciso del "ginocchio" di fine carica.

La cella risultava carica al 50% circa; il grafico conferma che è inutile e pericoloso andare oltre 3,4V, si guadagna solo il 2% circa di capacità:

La cella, arrivata a 3,7V circa, dopo 15' era scesa a 3,5V e dopo circa 12h a 3,4V, quindi buona parte del 2% di carica aggiuntiva immagazzinata sopra i 3,4V in realtà è stata dissipata in calore.

CARICA DI EQUALIZZAZIONE CELLE USATE

Oltre alla cella danneggiata (la n.64) ho estratto per comodità le 3 celle immediatamente successive nella serie, quindi la n.65,66 e 67.

01_batteria estratta.jpg

01_batteria estratta.jpg

Queste 3 celle erano state caricate a bordo del veicolo, ma una ulteriore carica di "rabbocco" ha verificato uno sbilanciamento tra migliore e peggiore pari a quasi il 10% della capacità nominale.

Nel grafico l'andamento delle tensioni delle celle n65 e 67 durante la ricarica @2A; la cella 66 era già totalmente carica (ha raggiunto i 3,6V con soli 0,2 Ah immessi).

TEST DI SCARICA TOTALE

La scarica è stata effettuata con lo "Scariccatore", un dispositivo autocostruito (presentato nell'articolo del 2013) che permette di scaricare 4 celle in serie a corrente costante di 5, 10, 20 o 25A. Ho effettuato la scarica a 25A, valore limitato (inferiore a C/2) ma comunque leggermente superiore alla corrente media assorbita dal veicolo.


Poichè lo scariccatore scarica le 4 celle contemporaneamente ho dovuto effettuare ricariche parziali (rabbocchi) sulle celle che hanno raggiunte per prime la scarica completa, in modo da poter continuare e arrivare alla scarica completa anche della cella più prestazionale, che è risultata essere come prevedibile quella appena acquistata.


I grafici sono riportati per semplicità "al netto" di questi rabbocchi.

E' evidente la differenza sostanziale tra la cella nuova e quelle usate!

Ma è opportuno precisare che questa cella nuova è risultata particolarmente brillante, con una capacità che supera quella nominale (per quanto si tratti di scarica "lenta") circa del 25%!

TEST DI CARICA

Dopo il test di scarica le 4 celle sono state ricaricate monitorando le singole tensioni, per evidenziare le differenze di comportamento ed eventuali differenze nel "rendimento chimico".

Ho effettuato la carica a 3A, quindi una carica molto lenta (C/20) che ha permesso di monitorare con precisione sia le tensioni che gli Ah immessi nelle celle. Anche i grafici in ricarica sono per semplicità "al netto" dei rabbocchi effettuati durante la scarica.

Non ho rilevato una differenza apprezzabile tra gli Ah scaricati e gli Ah reimmessi nelle singole celle; la riduzione della capacità reale sembra quindi non influenzare in maniera significativa l'efficienza "chimica" delle celle; influenza invece in misura limitata l'efficienza "elettrica" nell'uso, a causa della maggior caduta di tensione (che corrisponde a una maggior resistenza interna delle celle).

Notevole anche la perfetta sovrapposizione delle curve a parità di SOC (State of Charge), con scostamenti limitati alla parte finale della carica:


la piattezza delle curve e la dipendenza dalla temperatura ambiente non permettono comunque, come con tutte le chimiche, di stabilire lo stato di carica delle celle dalla sola misura di tensione a vuoto.


Considerazioni sullo "stato di salute" (SOH) delle celle

Le celle vecchie erano risultate avere all'acquisto capacità reali maggiori del 10-15% di quella nominale; il grafico di scarica sembra evidenziare quindi un degrado limitato (10% circa) anche se non trascurabile delle prestazioni, che comunque restano superiori a quelle dichiarate dal costruttore.


Se la velocità di degrado delle celle dovesse mantenersi su questo rateo l'utilizzo quotidiano dell'auto potrebbe cominciare a risentirne in maniera significativa tra ulteriori 100000 km percorsi, con un calo della capacità residua a circa il 70-80% del valore nominale.


Le prestazioni reali quindi (questi ipotetici 150000 km percorribili) sembrano notevoli ma ben inferiori ai 340000 km stimati nel paragrafo precedente. Questo scostamento, tutto da verificare, può avere diverse cause:


- i cicli garantiti dal costruttore sono riferiti ad intensità di scarica 0,5C; l'intensità di scarica media sul veicolo rientra in questo valore ma la scarica non avviene a corrente costante, ma con corrente variabile tra 0 e 150A circa (2,5C)


- la frenata rigenerativa riduce intensità e profondità di scarica medie, ma introduce anche uno stress aggiuntivo costituito da ricariche molto brevi, ripetute e intense (fino a 0,7C circa)


- l'invecchiamento causa un degrado progressivo delle prestazioni a prescindere dalle modalità di utilizzo


- il circuito di gestione delle celle (BMS) potrebbe aver introdotto piccoli sbilanciamenti e un suo malfunzionamento è probabilmente stato concausa della rottura di una cella.


La diminuizione del 10% della capacità reale, che sembra essere comune a diverse celle, non è stata ad oggi percepita perchè la capacità residua permetterebbe comunque percorrenze giornaliere superiori ai 100km, quindi ben superiori alla percorrenza media.

Analisi della cella degradata

La cella danneggiata (la n. 64 nella serie) è risultata in corto, con 0V ai terminali. Il guasto, dovuto probabilmente ad un malfunzionamento del circuito di controllo e conseguente sovrascarica, non ha provocato il fermo del veicolo nè danni evidenti alla cella, che presenta solo un impercettibile rigonfiamento (2mm circa) nella zona centrale. Le staffe di contenimento meccanico hanno quindi evitato possibili dilatazioni distruttive.


Dopo aver raccolto informazioni dai pochi esperti di queste batterie mi sono azzardato ad aprire la cella degradata.


NOTA: l'elettrolita è paragonabile ad altri idrocarburi come benzene o acetone, quindi cancerogeno e tossico al contatto. Inoltre è fortemente infiammabile, quindi è necessario portare a 0V la cella e mantenerla con una resistenza in parallelo agli elettrodi. L'apertura quindi non è una operazione da farsi senza un minimo di conoscenze tecniche, e ovviamente la cella aperta andrà comunque portato ad un centro di raccolta autorizzato.


Nella foto è visibile l'interno della cella ripreso da due lati.

06_cella_rotta.jpg

06_cella_rotta.jpg


Sul fondo dell' involucro era presente una piccola quantità di elettrolita liquido; è una piccola scorta necessaria per mantenere umidi, per capillarità, i singoli sacchetti ("pouch") che costituiscono queste celle.


Questo sito http://elmoto.net/showthread.php?t=694spiega perchè queste celle devono essere utilizzate in piedi o sdraiate sul lato stretto: proprio per permettere a ogni sacchetto di "pescare" nel liquido.

La cella non presenta segni evidenti di combustione o perforazione degli elettrodi; un'analisi più accurata richiede l'apertura "a ventaglio" dei sacchetti, ma sarebbe solo una curiosità da profano che mi riprometto di togliermi nelle prossime settimane, dopo essermi informato su come e dove smaltire questa cella.

Riferimenti

Per chi fosse interessato riporto in ordine cronologico i miei articoli relativi a batterie al litio e/o veicoli elettrici.

Storia (parziale) delle auto elettriche italiane, con dati tecnici della Panda e della Seicento Elettra: http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/ritorno-al-passato-l-auto-elettrica-italiana

Raduno elettrico, test drive della Tesla e altre amenità: http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/eli-e-le-altre-dal-bir-alla-tesla-in-giro-per-la-citt-e-la-svolta-buona


Test e caratterizzazione batterie LiFeYPO4 da 60Ah http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/test-e-caratterizzazione-batterie-al-litio-lifeypo4


Storia di Eli parte I: i precedenti, la ricerca e l'acquisto http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/storia-di-eli-parte-i-giugno-2012-gennaio-2013-il-prequel-2


Batteria di avviamento per moto LiFEYPO4 12V http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/batterie-di-avviamento-al-litio-per-moto


Storia di Eli parte II: il bilancio dei primi 50000km percorsi http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/storia-di-eli-parte-ii-i-miei-primi-50000-km-elettrici


Bilanciamento (equalizzazione) e controllo di celle collegate in serie http://www.electroyou.it/richiurci/wiki/bilanciamento-equalizzazione-di-celle-o-batterie-in-serie

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Commenti e note

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di ,

Per chi fosse interessato appena avrò completato l'autopsia della defunta aggiornerò l'articolo

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